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高中物理人教版(2019)选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性测试卷（Word版附解析）
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这是一份高中物理人教版(2019)选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性测试卷（Word版附解析），共7页。
第四章 原子结构和波粒二象性一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.光谱分析为深入原子世界打开了道路。关于光谱,下列说法正确的是( )A.原子发射连续光谱是因为电子绕原子核运动的变化是连续的B.玻尔的原子理论能成功解释各种原子光谱的实验规律C.原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应D.利用光谱分析鉴别物质时,可以用连续谱,也可以用线状谱2.如图,α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后运动方向基本不改变,这是因为( )A.金原子核很小,核外空旷B.这些α粒子离金原子核远,不受库仑斥力C.这些α粒子未与金原子中的电子碰撞D.金原子核由质子和中子组成3.氢原子能级图如图所示,用某单色光照射大量处于基态的氢原子后,氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系,则该单色光的光子能量为( )A.14.14 eV B.12.75 eV C.12.09 eV D.10.20 eV4.氢原子的能级公式为En=E1n2(E1<0,量子数n=2,3,4,…),E1是基态氢原子的能量值,光在真空中的传播速度为c,大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁辐射的多种不同频率的光子中,动量最大值为( )A.-15E116c B.15E116c C.-17E118c D.17E118c5.波长为λ的光子与一静止电子发生正碰,测得碰撞后(未反弹)的光子波长增大了Δλ,普朗克常量为h,不考虑相对论效应,碰后电子的动量为( )A.hλ+hΔλ B.hλ+hλ+Δλ C.hλ-hΔλ D.hλ-hλ+Δλ6.如图甲为研究光电效应的实验装置,用频率为ν的单色光照射光电管的阴极K,得到光电流I与光电管两端电压U的关系图线如图乙所示,已知电子电荷量为e,普朗克常量为h,则( ) A.测量遏止电压Uc时开关S应扳向“2”B.阴极K所用材料的极限频率为hν-eUchC.只增大光照强度时,图乙中I0的值将不变D.只增大光照强度时,图乙中Uc的值会增大7.如图甲所示是一款光电烟雾探测器的原理图。当有烟雾进入时,来自光源S的光被烟雾散射后进入光电管C,光射到光电管中的金属表面时会产生光电流。如果产生的光电流大于10-8 A,便会触发报警系统。光电管中金属的遏止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示,已知光速c=3.0×108 m/s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则( ) A.光电管中金属的逸出功为6 eVB.图乙中图线斜率的物理意义为普朗克常量hC.要使该探测器正常工作,光源S发出的光波波长不能小于5.0×10-7 mD.触发报警系统时金属表面每秒释放出的光电子数应大于N=6.25×1010个8.激光冷却中性原子的原理如图所示,质量为m、速度为v0的原子连续吸收多个迎面射来的频率为ν的光子后,速度减小。不考虑原子质量的变化,光速为c。下列说法正确的是( )A.激光冷却利用了光的波动性B.原子吸收第一个光子后速度的变化量为Δv=-hνmcC.原子每吸收一个光子后速度的变化量不同D.原子吸收mcv0hν个光子后速度减小到原来的一半二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全选对得4分,选对但不全的得2分,选错或不选得0分)9.关于光的本质,下列说法正确的是( )A.光波是一种概率波B.光波是一种电磁波C.光的波长越长,光子的能量越大D.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性10.氢原子的能级示意图如图所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV~3.11 eV,下列说法正确的是( )A.一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射6种不同频率的光子B.如果n=1能级的氢原子依靠某电子的撞击获得能量跃迁到n=4能级,则该电子的能量一定等于12.75 eVC.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并且使氢原子电离D.用氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为2.25 eV的金属时,逸出的光电子的最大初动能为10.5 eV11.图甲为氢原子能级图,图乙为研究光电效应的实验装置,一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁会发出一系列不同频率的光,将这些光分别照射到图乙电路阴极K的金属上,只能测得3条电流随电压变化的图线,如图丙所示。下列说法正确的是( ) A.图丙中的c光是氢原子由n=2能级向基态跃迁发出的B.图丙中的b光光子能量为12.09 eVC.动能为1 eV的电子不能使处于n=4能级的氢原子电离D.阴极金属的逸出功可能为W0=7.25 eV12.氢原子从某一能级向低能级跃迁时,产生了频率分别为ν1、ν2的两种光Ⅰ、Ⅱ。用光Ⅰ照射图中的实验装置,电流表中有电流通过,调节滑片P,当电压表示数为U1时,电流表示数恰好为0。此时保持装置不变,改用光Ⅱ照射,电流表示数为0,调节滑片P,当电压表示数为U2时,电流表中开始有电流通过。则( )A.ν1U2=ν2U1B.产生光Ⅰ时,氢原子跃迁到的能级更低C.用同一装置研究双缝干涉现象,光Ⅱ的条纹间距更大D.改用光Ⅱ照射后,滑片P向a端移动电流表中才能有电流三、非选择题(本题共6小题,共60分)13.(6分)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置示意图。(1)关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 。 A.α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成B.金箔可用铝箔替代C.荧光屏360°旋转的目的是观察α粒子各个角度的散射情况D.α粒子源是一个可以将静止α粒子加速的电场(2)有关α粒子散射实验的下图中,O表示金原子核的位置,则能正确表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的是 。 14.(8分)如图所示,一验电器与锌板相连,在A处用一紫外线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角。(1)现用一带少量负电的金属小球与锌板接触,则验电器指针偏角将 (选填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)使验电器指针回到零,再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转。那么,若改用强度更大的红外线灯照射锌板,可观察到验电器指针 (选填“有”或“无”)偏转。 (3)为了进一步研究光电效应的规律,甲组设计了如图所示的电路,图中标有A和K的为光电管,其中K为阴极,A为阳极。现接通电源,用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K,电流表中有示数,若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动,电流表的读数逐渐减小,当滑至某一位置时电流表的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V,则光电管阴极材料的逸出功为 eV;现保持滑片P位置不变,仅增大入射光的强度,电流表的读数 (选填“为零”或“不为零”)。 (4)已知黄光的频率小于蓝光的频率,乙组用强黄光、弱黄光、强蓝光、弱蓝光分别照射同一个光电管做光电效应实验,得到四条光电流I与电压U的关系曲线,如图所示(其中有一条曲线图中未画出),则曲线甲对应的入射光为 (填“强黄光”“弱黄光”“强蓝光”或“弱蓝光”)。 15.(10分)铬原子n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,脱离原子的电子叫作俄歇电子,已知铬原子的能级公式可简化为En=-An2,式中A是正的已知常数。求:(1)铬原子从n=2能级跃迁到n=1能级释放的能量ΔE;(2)上述俄歇电子的动能Ek。16.(10分)大量处于n=3能级的氢原子,向低能级跃迁时辐射光子的最短波长为λ。已知氢原子的能级公式为En=E1n2(E1未知),普朗克常量为h,光速为c,求:(1)氢原子的基态能量E1;(2)氢原子辐射光子的最小动量p。17.(12分)如图所示,光电管的阴极K用某种金属制成,闭合开关S,用发光功率为P的激光光源直接照射阴极K时,产生了光电流。移动滑动变阻器的滑片,当光电流恰好为零时,电压表的示数为U,已知该金属的逸出功为W0,普朗克常量为h,电子电荷量为e,真空中的光速为c,求:(1)激光在真空中的波长λ;(2)激光光源单位时间内产生的光子数N;(3)滑片移动到最左端时,电流为I,求该状态下,单位时间内通过电流表的电子数Ne。18.(14分)在弗兰克-赫兹实验中,电子碰撞原子,原子吸收电子的动能从低能级跃迁到高能级。假设改用质子碰撞氢原子来实现氢原子的能级跃迁,实验装置如图1所示。紧靠电极A的O点处的质子经电压为U1的电场加速后,进入两金属网电极B和C之间的等势区。在BC区质子与静止的氢原子发生碰撞,氢原子吸收能量由基态跃迁到激发态。质子在碰撞后继续运动进入CD减速区,若质子能够到达电极D,则在电流表上可以观测到电流脉冲。已知质子质量mp与氢原子质量mH均为m,质子的电荷量为e,氢原子能级图如图2所示,忽略质子在O点时的初速度,质子和氢原子只发生一次正碰。(1)求质子到达电极B时的速度v0;(2)假定质子和氢原子碰撞时,质子初动能的14被氢原子吸收用于能级跃迁,要出现电流脉冲,求C、D间电压U2的最大值;(3)要使碰撞后氢原子从基态跃迁到n=3的激发态,求U1的最小值。 答案与解析第四章 原子结构和波粒二象性1.C 电子绕原子核运动的变化都是不连续的,我们看到的原子光谱都是线状谱,选项A错误;玻尔原子理论仅能成功解释氢原子光谱的实验规律,选项B错误;每种原子都有各自的特征谱线,原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应,可以利用线状谱和吸收光谱来鉴别物质,选项C正确,D错误。2.A α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后运动方向基本不改变,这是因为金原子核很小,核外空旷,选项A正确。3.B 巴耳末系是高能级氢原子跃迁到n=2能级的谱线图,根据题意可知氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系,则知氢原子从n=4能级跃迁,则单色光的光子能量为E=-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,选项B正确。4.A 从n=4能级直接跃迁到n=1能级辐射的光子能量最大,动量最大,即E4-E1=hcλ=pc,得p=-15E116c,选项A正确。5.D 根据动量和波长的关系可知碰前光子的动量p=hλ,设碰后电子的动量为p0,光子与电子碰撞过程满足动量守恒,因为碰后光子未反弹,所以hλ=hλ+Δλ+p0,解得p0=hλ-hλ+Δλ,选项D正确。6.B 测量遏止电压Uc时光电管两端加反向电压,则开关S应扳向“1”,选项A错误;根据Uce=Ekm=hν-hν0,可得阴极K所用材料的极限频率为ν0=hν-eUch,选项B正确;只增大光照强度时,饱和电流增大,则图乙中I0的值将变大,选项C错误;只增大光照强度时,光的频率不变,则图乙中Uc的值不变,选项D错误。7.D 由爱因斯坦光电效应方程及遏止电压与光电子最大初动能的关系可得eUc=Ek=hν-W0,即Uc=heν-W0e,可知光电管中金属的逸出功为2.5 eV,图线的斜率为he,选项A、B错误;金属的截止频率为νc=Uc·eh=2.5×1.6×10-196.63×10-34 Hz=6.0×1014 Hz,则有λ=cνc=3.0×1086.0×1014 m=5.0×10-7 m,则可知光源S发出的光波波长应小于5.0×10-7 m,选项C错误;当光电流等于10-8 A时,每秒产生的光电子的个数为N=Ite=10-8×11.6×10-19(个)=6.25×1010(个),故触发报警系统时金属表面每秒释放出的光电子数应大于N=6.25×1010个,选项D正确。8.B 激光冷却利用了光的粒子性,选项A错误;根据德布罗意波长公式有λ=hpc=cν,可得一个光子的动量为pc=hνc,根据动量守恒有mv0-pc=mv1,所以原子吸收第一个光子后速度的变化量为Δv=v1-v0=-hνmc,选项B正确;由于动量守恒,每个光子的动量相同,因此原子每吸收一个光子后速度改变量相同,选项C错误;原子吸收mcv0hν个光子后,根据动量守恒有mv0-npc=mv2,即mv0-mcv0hν·hνc=mv2,解得v2=0,选项D错误。9.ABD 光波在空间各点出现的概率大小可以用波动规律来描述,但单个光子无法预测轨迹,所以光波是一种概率波,选项A正确;光波是一种电磁波,选项B正确;光的波长越长频率越小,光子的能量也越小,选项C错误;只有波才会出现干涉和衍射现象,所以光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,选项D正确。10.CD 一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射6种不同频率的光子,而一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射3种不同频率的光子,选项A错误;如果n=1能级的氢原子依靠某电子的撞击获得能量跃迁到n=4能级,-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,吸收的能量一定等于12.75 eV,因此该电子的能量大于或者等于12.75 eV即可,选项B错误;紫外线的光子能量大于3.11 eV,处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线后发生电离,选项C正确;氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光子的能量为-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,如果用该光照射逸出功为2.25 eV的金属,由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W0,得逸出的光电子的最大初动能为10.5 eV,选项D正确。11.ABD 一群处于n=4能级的氢原子,向低能级跃迁过程中可能的情况为n=4→3,n=4→2,n=4→1,n=3→2,n=3→1,n=2→1,能发出6种不同频率的光;辐射的光子的能量值从大到小排列为n=4→1,n=3→1,n=2→1,n=4→2,n=3→2,n=4→3,但题中只能测得3条电流随电压变化的图线,所以n=4→1,n=3→1,n=2→1这几种情况发出的光能产生光电效应,由图丙可知,a光的遏止电压最大,其次是b和c,根据eU=Ek=hν-W0,所以a对应n=4→1,b对应n=3→1,c对应n=2→1,选项A正确。b光的光子能量为Eb=E3-E1=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,选项B正确。要使处于n=4能级的氢原子电离,所需的最小能量为0.85 eV,所以动能为1 eV的电子能使处于n=4能级的氢原子电离,选项C错误。氢原子由n=2能级跃迁到n=1能级辐射的光子的能量值E21=E2-E1=(-3.4 eV)-(-13.6 eV)=10.2 eV,能量值排第4(n=4→2)的光子的能量值E42=E4-E2=(-0.85 eV)-(-3.4 eV)=2.55 eV,只有三种光子能发生光电效应,则该金属的逸出功大于2.55 eV,小于等于10.2 eV,选项D正确。12.BC 当电压表示数为U1时,电流表示数恰好为0,则有Ek1=hν1-W0,eU1=Ek1,联立解得eU1=hν1-W0,同理,当电压表示数为U2时,有eU2=hν2-W0,联立解得hν1-eU1=hν2-eU2,将A中式子代入验证,可知A中式子不成立,选项A错误;由题可知,光Ⅰ的频率更大,故光Ⅰ的能量更高,所以产生光Ⅰ时氢原子跃迁到的能级更低,选项B正确;由题可知,光Ⅱ的频率更小,则其波长更长,根据Δx=Ldλ,可知用同一装置研究双缝干涉现象,光Ⅱ的条纹间距更大,选项C正确;由题意,改用光Ⅱ照射后,滑片P向b端移动电流表中才能有电流,选项D错误。13.答案 (1)AC(3分) (2)B(3分)解析 (1)α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成,避免α粒子和空气中的原子碰撞影响实验结果,选项A正确;如果不用金箔改用铝箔也会发生散射现象,只是铝的延展性不如金的好,不可以做到很薄,所以实验结果会受到影响,同时由于金原子核电荷量大、质量大,易形成大角度散射,选项B错误;荧光屏360°旋转的目的是观察α粒子各个角度的散射情况,选项C正确;α粒子源用以提供所需的α粒子,不能加速,选项D错误。(2)在α粒子散射实验中,粒子所受原子核的作用力为斥力,指向轨迹弯曲的内侧,大多数粒子穿过金箔后,偏转很小,少数粒子发生很大角度的偏转,且越靠近金原子核的粒子受到的斥力越大,偏转角越大,故选B。14.答案 (1)减小(2分) (2)无(2分) (3)4.5(1分) 为零(1分) (4)强黄光(2分)解析 (1)在A处用一紫外线灯照射锌板,锌板发生光电效应,光电子逸出后锌板带正电,用一带少量负电的金属小球与锌板接触,会使锌板上带的正电减少,验电器指针偏角将减小。(2)用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转,说明黄光不能使锌板产生光电效应;改用红外线灯照射锌板,红外线的频率小于黄光的频率,红外线也不能使锌板产生光电效应,验电器指针无偏转。(3)当滑片滑至某一位置时电流表的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V,说明遏止电压为6.0 V,光电子的最大初动能Ek=6.0 eV,根据Ek=hν-W0可知,光电管阴极材料的逸出功为4.5 eV。现保持滑片P位置不变,仅增大入射光的强度,电流表的读数为零。(4)入射光频率越大,遏止电压越大,所以甲、乙为同一种光,且甲、乙的频率小于丙的频率,则甲、乙为黄光,丙为蓝光。而频率一定时,入射光越强,饱和电流越大,所以甲为强黄光。15.答案 (1)34A (2)1116A解析 (1)由题意可得ΔE=E2-E1(2分)解得ΔE=34A(2分)(2)n=4能级上的电子的电离能E'=0-E4(2分)俄歇电子的动能Ek=ΔE-E'(2分)解得Ek=1116A(2分)16.答案 (1)-9hc8λ (2)5h32λ解析 (1)根据题意可知,n=3能级的能量为E3=E19(1分)由能级跃迁原理有ΔE=hν=hcλ(1分)可知,能级差越大,辐射光子的波长越短,则由n=3能级跃迁到n=1能级时,辐射光子的波长最短,则有E3-E1=hcλ(1分)解得E1=-9hc8λ(1分)(2)根据德布罗意波长公式λ=hp(1分)可知,氢原子辐射光子的动量最小时,波长最大,则能级差最小,即由n=3能级跃迁到n=2能级时,氢原子辐射光子的动量最小,n=2能级的能量为E2=E14(1分)则有E3-E2=hcλ1(1分)又有p=hλ1(1分)联立解得p=E3-E2c=5h32λ(2分)17.答案 (1)hceU+W0 (2)PeU+W0 (3)I/e解析 (1)由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0(1分)ν=cλ(1分)动能定理-eU=0-Ek(2分)联立求得λ=hceU+W0(1分)(2)由N=Ptε,t=1 s(2分)其中ε=hcλ(1分)因此单位时间内产生的光子数N满足N=PeU+W0(2分)(3)根据电流定义式I=qt=Nee(1分)因此单位时间内通过电流表的电子数Ne=I/e(1分)18.答案 (1)2U1em (2)3-228U1 (3)24.18 V解析 (1)质子做匀加速运动,由动能定理得12mv02=U1e(1分)v0=2U1em(1分)(2)由动量守恒和能量守恒得mv0=mv1+mv2(1分)12mv02=12mv12+12mv22+14×12mv02(1分)解得v1=2-24v0(1分)v2=2+24v0(1分)质子在碰撞后继续运动进入CD减速区,做匀减速运动,要出现电流脉冲则满足12mv12≥U2e(1分)U2≤3-228U1(1分)(3)由动量守恒和能量守恒得mv'0=mv'1+mv'2(1分)12mv' 02=12mv' 12+12mv' 22+ΔE(1分)当v'1=v'2时,损失的能量最多,ΔE=E3-E1=12.09 eV(1分)U1e=12mv' 02=24.18 eV(1分)U1=24.18 V(1分)U1最小为24.18 V(1分) 1.C2.A3.B4.A5.D6.B7.D8.B9.ABD10.CD11.ABD12.BC
第四章 原子结构和波粒二象性一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.光谱分析为深入原子世界打开了道路。关于光谱,下列说法正确的是( )A.原子发射连续光谱是因为电子绕原子核运动的变化是连续的B.玻尔的原子理论能成功解释各种原子光谱的实验规律C.原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应D.利用光谱分析鉴别物质时,可以用连续谱,也可以用线状谱2.如图,α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后运动方向基本不改变,这是因为( )A.金原子核很小,核外空旷B.这些α粒子离金原子核远,不受库仑斥力C.这些α粒子未与金原子中的电子碰撞D.金原子核由质子和中子组成3.氢原子能级图如图所示,用某单色光照射大量处于基态的氢原子后,氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系,则该单色光的光子能量为( )A.14.14 eV B.12.75 eV C.12.09 eV D.10.20 eV4.氢原子的能级公式为En=E1n2(E1<0,量子数n=2,3,4,…),E1是基态氢原子的能量值,光在真空中的传播速度为c,大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁辐射的多种不同频率的光子中,动量最大值为( )A.-15E116c B.15E116c C.-17E118c D.17E118c5.波长为λ的光子与一静止电子发生正碰,测得碰撞后(未反弹)的光子波长增大了Δλ,普朗克常量为h,不考虑相对论效应,碰后电子的动量为( )A.hλ+hΔλ B.hλ+hλ+Δλ C.hλ-hΔλ D.hλ-hλ+Δλ6.如图甲为研究光电效应的实验装置,用频率为ν的单色光照射光电管的阴极K,得到光电流I与光电管两端电压U的关系图线如图乙所示,已知电子电荷量为e,普朗克常量为h,则( ) A.测量遏止电压Uc时开关S应扳向“2”B.阴极K所用材料的极限频率为hν-eUchC.只增大光照强度时,图乙中I0的值将不变D.只增大光照强度时,图乙中Uc的值会增大7.如图甲所示是一款光电烟雾探测器的原理图。当有烟雾进入时,来自光源S的光被烟雾散射后进入光电管C,光射到光电管中的金属表面时会产生光电流。如果产生的光电流大于10-8 A,便会触发报警系统。光电管中金属的遏止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示,已知光速c=3.0×108 m/s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则( ) A.光电管中金属的逸出功为6 eVB.图乙中图线斜率的物理意义为普朗克常量hC.要使该探测器正常工作,光源S发出的光波波长不能小于5.0×10-7 mD.触发报警系统时金属表面每秒释放出的光电子数应大于N=6.25×1010个8.激光冷却中性原子的原理如图所示,质量为m、速度为v0的原子连续吸收多个迎面射来的频率为ν的光子后,速度减小。不考虑原子质量的变化,光速为c。下列说法正确的是( )A.激光冷却利用了光的波动性B.原子吸收第一个光子后速度的变化量为Δv=-hνmcC.原子每吸收一个光子后速度的变化量不同D.原子吸收mcv0hν个光子后速度减小到原来的一半二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全选对得4分,选对但不全的得2分,选错或不选得0分)9.关于光的本质,下列说法正确的是( )A.光波是一种概率波B.光波是一种电磁波C.光的波长越长,光子的能量越大D.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性10.氢原子的能级示意图如图所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV~3.11 eV,下列说法正确的是( )A.一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射6种不同频率的光子B.如果n=1能级的氢原子依靠某电子的撞击获得能量跃迁到n=4能级,则该电子的能量一定等于12.75 eVC.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并且使氢原子电离D.用氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为2.25 eV的金属时,逸出的光电子的最大初动能为10.5 eV11.图甲为氢原子能级图,图乙为研究光电效应的实验装置,一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁会发出一系列不同频率的光,将这些光分别照射到图乙电路阴极K的金属上,只能测得3条电流随电压变化的图线,如图丙所示。下列说法正确的是( ) A.图丙中的c光是氢原子由n=2能级向基态跃迁发出的B.图丙中的b光光子能量为12.09 eVC.动能为1 eV的电子不能使处于n=4能级的氢原子电离D.阴极金属的逸出功可能为W0=7.25 eV12.氢原子从某一能级向低能级跃迁时,产生了频率分别为ν1、ν2的两种光Ⅰ、Ⅱ。用光Ⅰ照射图中的实验装置,电流表中有电流通过,调节滑片P,当电压表示数为U1时,电流表示数恰好为0。此时保持装置不变,改用光Ⅱ照射,电流表示数为0,调节滑片P,当电压表示数为U2时,电流表中开始有电流通过。则( )A.ν1U2=ν2U1B.产生光Ⅰ时,氢原子跃迁到的能级更低C.用同一装置研究双缝干涉现象,光Ⅱ的条纹间距更大D.改用光Ⅱ照射后,滑片P向a端移动电流表中才能有电流三、非选择题(本题共6小题,共60分)13.(6分)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置示意图。(1)关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 。 A.α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成B.金箔可用铝箔替代C.荧光屏360°旋转的目的是观察α粒子各个角度的散射情况D.α粒子源是一个可以将静止α粒子加速的电场(2)有关α粒子散射实验的下图中,O表示金原子核的位置,则能正确表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的是 。 14.(8分)如图所示,一验电器与锌板相连,在A处用一紫外线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角。(1)现用一带少量负电的金属小球与锌板接触,则验电器指针偏角将 (选填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)使验电器指针回到零,再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转。那么,若改用强度更大的红外线灯照射锌板,可观察到验电器指针 (选填“有”或“无”)偏转。 (3)为了进一步研究光电效应的规律,甲组设计了如图所示的电路,图中标有A和K的为光电管,其中K为阴极,A为阳极。现接通电源,用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K,电流表中有示数,若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动,电流表的读数逐渐减小,当滑至某一位置时电流表的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V,则光电管阴极材料的逸出功为 eV;现保持滑片P位置不变,仅增大入射光的强度,电流表的读数 (选填“为零”或“不为零”)。 (4)已知黄光的频率小于蓝光的频率,乙组用强黄光、弱黄光、强蓝光、弱蓝光分别照射同一个光电管做光电效应实验,得到四条光电流I与电压U的关系曲线,如图所示(其中有一条曲线图中未画出),则曲线甲对应的入射光为 (填“强黄光”“弱黄光”“强蓝光”或“弱蓝光”)。 15.(10分)铬原子n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,脱离原子的电子叫作俄歇电子,已知铬原子的能级公式可简化为En=-An2,式中A是正的已知常数。求:(1)铬原子从n=2能级跃迁到n=1能级释放的能量ΔE;(2)上述俄歇电子的动能Ek。16.(10分)大量处于n=3能级的氢原子,向低能级跃迁时辐射光子的最短波长为λ。已知氢原子的能级公式为En=E1n2(E1未知),普朗克常量为h,光速为c,求:(1)氢原子的基态能量E1;(2)氢原子辐射光子的最小动量p。17.(12分)如图所示,光电管的阴极K用某种金属制成,闭合开关S,用发光功率为P的激光光源直接照射阴极K时,产生了光电流。移动滑动变阻器的滑片,当光电流恰好为零时,电压表的示数为U,已知该金属的逸出功为W0,普朗克常量为h,电子电荷量为e,真空中的光速为c,求:(1)激光在真空中的波长λ;(2)激光光源单位时间内产生的光子数N;(3)滑片移动到最左端时,电流为I,求该状态下,单位时间内通过电流表的电子数Ne。18.(14分)在弗兰克-赫兹实验中,电子碰撞原子,原子吸收电子的动能从低能级跃迁到高能级。假设改用质子碰撞氢原子来实现氢原子的能级跃迁,实验装置如图1所示。紧靠电极A的O点处的质子经电压为U1的电场加速后,进入两金属网电极B和C之间的等势区。在BC区质子与静止的氢原子发生碰撞,氢原子吸收能量由基态跃迁到激发态。质子在碰撞后继续运动进入CD减速区,若质子能够到达电极D,则在电流表上可以观测到电流脉冲。已知质子质量mp与氢原子质量mH均为m,质子的电荷量为e,氢原子能级图如图2所示,忽略质子在O点时的初速度,质子和氢原子只发生一次正碰。(1)求质子到达电极B时的速度v0;(2)假定质子和氢原子碰撞时,质子初动能的14被氢原子吸收用于能级跃迁,要出现电流脉冲,求C、D间电压U2的最大值;(3)要使碰撞后氢原子从基态跃迁到n=3的激发态,求U1的最小值。 答案与解析第四章 原子结构和波粒二象性1.C 电子绕原子核运动的变化都是不连续的,我们看到的原子光谱都是线状谱,选项A错误;玻尔原子理论仅能成功解释氢原子光谱的实验规律,选项B错误;每种原子都有各自的特征谱线,原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应,可以利用线状谱和吸收光谱来鉴别物质,选项C正确,D错误。2.A α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后运动方向基本不改变,这是因为金原子核很小,核外空旷,选项A正确。3.B 巴耳末系是高能级氢原子跃迁到n=2能级的谱线图,根据题意可知氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系,则知氢原子从n=4能级跃迁,则单色光的光子能量为E=-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,选项B正确。4.A 从n=4能级直接跃迁到n=1能级辐射的光子能量最大,动量最大,即E4-E1=hcλ=pc,得p=-15E116c,选项A正确。5.D 根据动量和波长的关系可知碰前光子的动量p=hλ,设碰后电子的动量为p0,光子与电子碰撞过程满足动量守恒,因为碰后光子未反弹,所以hλ=hλ+Δλ+p0,解得p0=hλ-hλ+Δλ,选项D正确。6.B 测量遏止电压Uc时光电管两端加反向电压,则开关S应扳向“1”,选项A错误;根据Uce=Ekm=hν-hν0,可得阴极K所用材料的极限频率为ν0=hν-eUch,选项B正确;只增大光照强度时,饱和电流增大,则图乙中I0的值将变大,选项C错误;只增大光照强度时,光的频率不变,则图乙中Uc的值不变,选项D错误。7.D 由爱因斯坦光电效应方程及遏止电压与光电子最大初动能的关系可得eUc=Ek=hν-W0,即Uc=heν-W0e,可知光电管中金属的逸出功为2.5 eV,图线的斜率为he,选项A、B错误;金属的截止频率为νc=Uc·eh=2.5×1.6×10-196.63×10-34 Hz=6.0×1014 Hz,则有λ=cνc=3.0×1086.0×1014 m=5.0×10-7 m,则可知光源S发出的光波波长应小于5.0×10-7 m,选项C错误;当光电流等于10-8 A时,每秒产生的光电子的个数为N=Ite=10-8×11.6×10-19(个)=6.25×1010(个),故触发报警系统时金属表面每秒释放出的光电子数应大于N=6.25×1010个,选项D正确。8.B 激光冷却利用了光的粒子性,选项A错误;根据德布罗意波长公式有λ=hpc=cν,可得一个光子的动量为pc=hνc,根据动量守恒有mv0-pc=mv1,所以原子吸收第一个光子后速度的变化量为Δv=v1-v0=-hνmc,选项B正确;由于动量守恒,每个光子的动量相同,因此原子每吸收一个光子后速度改变量相同,选项C错误;原子吸收mcv0hν个光子后,根据动量守恒有mv0-npc=mv2,即mv0-mcv0hν·hνc=mv2,解得v2=0,选项D错误。9.ABD 光波在空间各点出现的概率大小可以用波动规律来描述,但单个光子无法预测轨迹,所以光波是一种概率波,选项A正确;光波是一种电磁波,选项B正确;光的波长越长频率越小,光子的能量也越小,选项C错误;只有波才会出现干涉和衍射现象,所以光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,选项D正确。10.CD 一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射6种不同频率的光子,而一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可向外辐射3种不同频率的光子,选项A错误;如果n=1能级的氢原子依靠某电子的撞击获得能量跃迁到n=4能级,-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,吸收的能量一定等于12.75 eV,因此该电子的能量大于或者等于12.75 eV即可,选项B错误;紫外线的光子能量大于3.11 eV,处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线后发生电离,选项C正确;氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光子的能量为-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,如果用该光照射逸出功为2.25 eV的金属,由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W0,得逸出的光电子的最大初动能为10.5 eV,选项D正确。11.ABD 一群处于n=4能级的氢原子,向低能级跃迁过程中可能的情况为n=4→3,n=4→2,n=4→1,n=3→2,n=3→1,n=2→1,能发出6种不同频率的光;辐射的光子的能量值从大到小排列为n=4→1,n=3→1,n=2→1,n=4→2,n=3→2,n=4→3,但题中只能测得3条电流随电压变化的图线,所以n=4→1,n=3→1,n=2→1这几种情况发出的光能产生光电效应,由图丙可知,a光的遏止电压最大,其次是b和c,根据eU=Ek=hν-W0,所以a对应n=4→1,b对应n=3→1,c对应n=2→1,选项A正确。b光的光子能量为Eb=E3-E1=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,选项B正确。要使处于n=4能级的氢原子电离,所需的最小能量为0.85 eV,所以动能为1 eV的电子能使处于n=4能级的氢原子电离,选项C错误。氢原子由n=2能级跃迁到n=1能级辐射的光子的能量值E21=E2-E1=(-3.4 eV)-(-13.6 eV)=10.2 eV,能量值排第4(n=4→2)的光子的能量值E42=E4-E2=(-0.85 eV)-(-3.4 eV)=2.55 eV,只有三种光子能发生光电效应,则该金属的逸出功大于2.55 eV,小于等于10.2 eV,选项D正确。12.BC 当电压表示数为U1时,电流表示数恰好为0,则有Ek1=hν1-W0,eU1=Ek1,联立解得eU1=hν1-W0,同理,当电压表示数为U2时,有eU2=hν2-W0,联立解得hν1-eU1=hν2-eU2,将A中式子代入验证,可知A中式子不成立,选项A错误;由题可知,光Ⅰ的频率更大,故光Ⅰ的能量更高,所以产生光Ⅰ时氢原子跃迁到的能级更低,选项B正确;由题可知,光Ⅱ的频率更小,则其波长更长,根据Δx=Ldλ,可知用同一装置研究双缝干涉现象,光Ⅱ的条纹间距更大,选项C正确;由题意,改用光Ⅱ照射后,滑片P向b端移动电流表中才能有电流,选项D错误。13.答案 (1)AC(3分) (2)B(3分)解析 (1)α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成,避免α粒子和空气中的原子碰撞影响实验结果,选项A正确;如果不用金箔改用铝箔也会发生散射现象,只是铝的延展性不如金的好,不可以做到很薄,所以实验结果会受到影响,同时由于金原子核电荷量大、质量大,易形成大角度散射,选项B错误;荧光屏360°旋转的目的是观察α粒子各个角度的散射情况,选项C正确;α粒子源用以提供所需的α粒子,不能加速,选项D错误。(2)在α粒子散射实验中,粒子所受原子核的作用力为斥力,指向轨迹弯曲的内侧,大多数粒子穿过金箔后,偏转很小,少数粒子发生很大角度的偏转,且越靠近金原子核的粒子受到的斥力越大,偏转角越大,故选B。14.答案 (1)减小(2分) (2)无(2分) (3)4.5(1分) 为零(1分) (4)强黄光(2分)解析 (1)在A处用一紫外线灯照射锌板,锌板发生光电效应,光电子逸出后锌板带正电,用一带少量负电的金属小球与锌板接触,会使锌板上带的正电减少,验电器指针偏角将减小。(2)用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转,说明黄光不能使锌板产生光电效应;改用红外线灯照射锌板,红外线的频率小于黄光的频率,红外线也不能使锌板产生光电效应,验电器指针无偏转。(3)当滑片滑至某一位置时电流表的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V,说明遏止电压为6.0 V,光电子的最大初动能Ek=6.0 eV,根据Ek=hν-W0可知,光电管阴极材料的逸出功为4.5 eV。现保持滑片P位置不变,仅增大入射光的强度,电流表的读数为零。(4)入射光频率越大,遏止电压越大,所以甲、乙为同一种光,且甲、乙的频率小于丙的频率,则甲、乙为黄光,丙为蓝光。而频率一定时,入射光越强,饱和电流越大,所以甲为强黄光。15.答案 (1)34A (2)1116A解析 (1)由题意可得ΔE=E2-E1(2分)解得ΔE=34A(2分)(2)n=4能级上的电子的电离能E'=0-E4(2分)俄歇电子的动能Ek=ΔE-E'(2分)解得Ek=1116A(2分)16.答案 (1)-9hc8λ (2)5h32λ解析 (1)根据题意可知,n=3能级的能量为E3=E19(1分)由能级跃迁原理有ΔE=hν=hcλ(1分)可知,能级差越大,辐射光子的波长越短,则由n=3能级跃迁到n=1能级时,辐射光子的波长最短,则有E3-E1=hcλ(1分)解得E1=-9hc8λ(1分)(2)根据德布罗意波长公式λ=hp(1分)可知,氢原子辐射光子的动量最小时,波长最大,则能级差最小,即由n=3能级跃迁到n=2能级时,氢原子辐射光子的动量最小,n=2能级的能量为E2=E14(1分)则有E3-E2=hcλ1(1分)又有p=hλ1(1分)联立解得p=E3-E2c=5h32λ(2分)17.答案 (1)hceU+W0 (2)PeU+W0 (3)I/e解析 (1)由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0(1分)ν=cλ(1分)动能定理-eU=0-Ek(2分)联立求得λ=hceU+W0(1分)(2)由N=Ptε,t=1 s(2分)其中ε=hcλ(1分)因此单位时间内产生的光子数N满足N=PeU+W0(2分)(3)根据电流定义式I=qt=Nee(1分)因此单位时间内通过电流表的电子数Ne=I/e(1分)18.答案 (1)2U1em (2)3-228U1 (3)24.18 V解析 (1)质子做匀加速运动,由动能定理得12mv02=U1e(1分)v0=2U1em(1分)(2)由动量守恒和能量守恒得mv0=mv1+mv2(1分)12mv02=12mv12+12mv22+14×12mv02(1分)解得v1=2-24v0(1分)v2=2+24v0(1分)质子在碰撞后继续运动进入CD减速区,做匀减速运动,要出现电流脉冲则满足12mv12≥U2e(1分)U2≤3-228U1(1分)(3)由动量守恒和能量守恒得mv'0=mv'1+mv'2(1分)12mv' 02=12mv' 12+12mv' 22+ΔE(1分)当v'1=v'2时,损失的能量最多,ΔE=E3-E1=12.09 eV(1分)U1e=12mv' 02=24.18 eV(1分)U1=24.18 V(1分)U1最小为24.18 V(1分) 1.C2.A3.B4.A5.D6.B7.D8.B9.ABD10.CD11.ABD12.BC
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